新疆干旱區(qū)平原水庫(kù)浮板覆蓋下節(jié)水效率淺析

肖 建

（吐魯番市高昌區(qū)水管總站，新疆 吐魯番 838000）

0 引言

新疆是我國(guó)水資源短缺最為嚴(yán)重的地區(qū)之一[1-2]，年均降水量不足200 mm，但年蒸發(fā)量卻高達(dá)2000 mm～3000 mm，蒸發(fā)能力為降水能力的8～10 倍，是水資源短缺最嚴(yán)重的地區(qū)之一。目前全疆已建成平原水庫(kù)489 座，水庫(kù)總庫(kù)容83.78 億m3，年蒸發(fā)量26.1 億m3，水面蒸發(fā)占總庫(kù)容的40%。若能提高水資源蒸發(fā)抑制率，將節(jié)約大量的水資源，其價(jià)值不僅僅對(duì)于新疆，對(duì)整個(gè)“一帶一路”中“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”的“中國(guó)—中亞—西亞經(jīng)濟(jì)走廊”沿線國(guó)家而言有廣闊的發(fā)展前景，并能產(chǎn)生較好社會(huì)、經(jīng)濟(jì)以及環(huán)境效益[3-5]。

關(guān)于干旱區(qū)平原水庫(kù)節(jié)水的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了不同的嘗試。在國(guó)外，2008 年，Bastawesy MA 等利用遙感和 GIS 來(lái)評(píng)估埃及西南沙漠Tushka 湖的水資源損失[6]；2013 年，Mohamed Hassan 利用基于遙感技術(shù)的表面能量平衡方法對(duì)納塞爾湖的蒸發(fā)率進(jìn)行了估計(jì)[7]；2015 年美國(guó)加利福尼亞將9600 萬(wàn)個(gè)浮球投入 70 萬(wàn) m2的水庫(kù)來(lái)減少水面的蒸發(fā)[8]；2017 年，Ahmed Hassan等人采用地表能量平衡系統(tǒng)（SEBS）方法，通過(guò)Terra 地球衛(wèi)星搭載的中分辨率成像光譜儀（MODIS）觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用遙感（RS）和GIS 技術(shù)對(duì)高阿斯旺水庫(kù)計(jì)算的月蒸發(fā)率[9]。在國(guó)內(nèi)，2002年侍克斌[10]首次提出在新疆實(shí)行水庫(kù)節(jié)水的設(shè)想，隨后在水庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)漂浮材料的節(jié)水效率、穩(wěn)定性、耐久性等一系列指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試；2004 年嚴(yán)新軍[11]選用聚苯乙烯泡沫塑料板作為水庫(kù)防蒸發(fā)材料，在新疆尉犁縣的塔里木二庫(kù)對(duì)材料的不同連接方式及各種形式的抗風(fēng)浪性能等進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試；2014 年張永山[12-13]采用聚乙烯塑料空心板作為水庫(kù)防蒸發(fā)材料進(jìn)行了試驗(yàn)；2015年宋興亮[14-15]選用不同密度、不同厚度的彩鋼夾芯板作為水庫(kù)防蒸發(fā)材料，在500 水庫(kù)經(jīng)大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)；2016 年張曉浩等[16]對(duì)不同覆蓋面積下聚乙烯塑料空心板的節(jié)水效率進(jìn)行研究；2018 年候宗民[17]等對(duì)浮球覆蓋度、自由系數(shù)和浮球直徑三個(gè)參數(shù)與抑制蒸發(fā)率的關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并利用SPSS 等數(shù)據(jù)軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析；2019 年韓克武[18-19]等用PE浮球91%面積覆蓋下對(duì)干旱區(qū)平原水庫(kù)防蒸發(fā)節(jié)水效率進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)浮球潤(rùn)濕率與風(fēng)速、覆蓋面積之間的關(guān)系進(jìn)行定性分析，建立了蒸發(fā)抑制率模型。在前人的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合吐魯番地區(qū)極度高溫干旱的生態(tài)環(huán)境，本文采用浮板作為防蒸發(fā)材料，采用不同面積的覆蓋在水面上，分析不同覆蓋面積下浮板對(duì)水面節(jié)水效率的影響。

1 基本情況概述

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選擇在吐魯番市高昌區(qū)勝金鄉(xiāng)勝金臺(tái)水庫(kù)。勝金臺(tái)水庫(kù)由均質(zhì)大壩（主壩和副壩）、放水洞組成，大壩高11.2 m，長(zhǎng)350 m，寬5 m，水庫(kù)正常蓄水位100.5 m，總庫(kù)容118.99 萬(wàn)m3，壩頂高程102.31 m。水庫(kù)屬于灌注式水庫(kù)，主要水源是庫(kù)區(qū)周邊的坎兒井水與自流泉水。12 月～3 月為冰凍期，4 月～11 月為非冰凍期，泉水在入庫(kù)前有65%的水量被上游灌溉使用，剩余35%的水量進(jìn)入水庫(kù)；該水庫(kù)位于吐魯番市以東40 km 處，屬于典型的亞歐大陸性氣候，處于干旱、半干旱區(qū)，水資源困乏；西南鄰近火焰山，北部為天山山脈，整體地勢(shì)北高南低中間凹，因地處盆地之中，四周高山環(huán)抱，升溫快，散熱慢，年平均降雨量?jī)H為15.6 mm，蒸發(fā)量則高達(dá)2545.7 mm，多年平均氣溫14.4℃，極端最高氣溫47.7℃，極端最低氣溫-25.2℃，年平均風(fēng)速為6 m/s～8 m/s，年平均8 級(jí)以上大風(fēng)在70 d 以上，最大風(fēng)速為40 m/s，年平均日照3000 h～3200 h，多年平均相對(duì)濕度44%，在空氣最干燥的3 月～5 月，常出現(xiàn)相對(duì)濕度為0%的罕見(jiàn)天氣。

2 材料選擇及實(shí)驗(yàn)原理

2.1 材料選擇

根據(jù)已有研究成果，水庫(kù)防蒸發(fā)材料應(yīng)該具有密度低、耐酸堿、憎水無(wú)毒、不易于被生物分解等特點(diǎn)[20]，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和經(jīng)濟(jì)對(duì)比等情況，本實(shí)驗(yàn)選擇PVC 泡沫聚氯乙烯板為試驗(yàn)材料。

2.2 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)所需要觀測(cè)的主要?dú)庀髷?shù)據(jù)的參數(shù)有溫度（濕球溫度、漏點(diǎn)溫度、風(fēng)寒、氣溫、水溫）濕度、風(fēng)速、空氣密度、氣壓、水質(zhì)等。溫度、風(fēng)速、氣壓用自動(dòng)氣象儀（圖1）記錄，日最高、日最低氣溫采用極值溫度計(jì)觀測(cè)，大氣壓采用試驗(yàn)站自動(dòng)氣象站自動(dòng)檢測(cè)，蒸發(fā)量利用蒸發(fā)皿進(jìn)行觀測(cè)，水質(zhì)用tds 水質(zhì)測(cè)試筆電導(dǎo)率儀檢測(cè)。

圖1 自動(dòng)氣象儀

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)選定在蒸發(fā)池中進(jìn)行，分別在4 個(gè)蒸發(fā)池中由浮板覆蓋水面0%、25%、50%與75%。記錄其在自然條件下水面蒸發(fā)量。

圖2 蒸發(fā)池分別覆蓋浮板0%、25%、50%和75%

3 蒸發(fā)量結(jié)果及分析

吐魯番市高昌區(qū)勝金鄉(xiāng)勝金臺(tái)水庫(kù)試驗(yàn)地點(diǎn)，4 月～11 月為非冰凍期，溫度升高，最高氣溫達(dá)到47.7℃，太陽(yáng)輻射時(shí)間長(zhǎng)，多大風(fēng)，在風(fēng)浪作用下浮板表面潤(rùn)濕，蒸發(fā)量主要為太陽(yáng)輻射與浮板潤(rùn)濕蒸發(fā)的損失，蒸發(fā)量極大。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：吐魯番市高昌區(qū)勝金臺(tái)水庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)年平均10 m/s 以上大風(fēng)10 天以上，水庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)平均風(fēng)速6.00 m/s～8.0 m/s，浮板自由漂浮在水面上。

采用水位管測(cè)量，每日測(cè)量一次，記錄不同覆蓋率蒸發(fā)池每天的蒸發(fā)量情況，見(jiàn)表1、圖3。

表1 月蒸發(fā)量 單位：mm

圖3 不同覆蓋面積蒸發(fā)量變化

根據(jù)抑制水面蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)，將抑制水面蒸發(fā)率定義為一段時(shí)間內(nèi)水面蒸發(fā)量與相同條件下天然水體蒸發(fā)量的比值。則水面蒸發(fā)抑制率可以由式（1）求得。

式中：Δ 為水面蒸發(fā)抑制率；M1為無(wú)覆蓋浮板條件下水面蒸發(fā)量，mm；M2為覆蓋浮板條件下水面蒸發(fā)量，mm。

通過(guò)公式（1），利用表1 月蒸發(fā)量可以計(jì)算出覆蓋浮板條件下月蒸發(fā)抑制率變化情況，見(jiàn)表2、圖4。

表2 月蒸發(fā)抑制率 單位：%

圖4 不同覆蓋面積蒸發(fā)抑制率變化

由表1 和圖3 可以明顯看出，水體在經(jīng)過(guò)浮板覆蓋后，蒸發(fā)得到了有效抑制，且隨著覆蓋面積的增加蒸發(fā)量越少。由表2 與圖4 可以看出，浮板分別覆蓋水面25%、50%與75%時(shí)，蒸發(fā)抑制率分別為20.6%、38.3%與56.6%。隨著覆蓋面積的增加，蒸發(fā)抑制率差距在不斷縮小。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在分析總結(jié)國(guó)內(nèi)外研究技術(shù)防蒸發(fā)的基礎(chǔ)上，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，記錄浮板分別覆蓋水面25%、50%與75%時(shí)的蒸發(fā)量，抑制蒸發(fā)效果顯著，可以有效減少水庫(kù)巨大的蒸發(fā)損失，對(duì)于新疆干旱區(qū)高效節(jié)水意義重大。因此，應(yīng)加強(qiáng)水庫(kù)防蒸發(fā)技術(shù)的研究，使其在廣闊的新疆干旱區(qū)平原水庫(kù)逐步推廣，緩解水資源短缺的突出問(wèn)題。